Bài giảng Dụng cụ bán dẫn: Chương 4 - Hồ Trung Mỹ (Phần 2)

 Bài giảng "Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (Phần 2)" cung cấp cho người học các kiến thức: Điện tích chứa và quá trình quá độ, đánh thủng chuyển tiếp, chuyển tiếp dị thể (Heterojunction), các loại diode bán dẫn, giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương 4

Chuyển tiếp PN (PN Junction)

Nội dung chương 4

1 Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm

2 Điều kiện cân bằng nhiệt

3 Miền nghèo

4 Điện dung miền nghèo

5 Đặc tuyến dòng-áp

6 Các mô hình của diode bán dẫn

7 Điện tích chứa và quá trình quá độ

và quá trình quá độ

4

• Ở phân cực thuận, điện tử được

bơm từ miền N vào miền P và lỗ

được bơm vào từ miền P vào miền

N Khi đi qua chuyển tiếp, hạt dẫn

thiểu số tái hợp với hạt dẫn đa số và

suy giảm theo hàm mũ với khoàng

cách đi được

• Những đóng góp của các hạt dẫn

thiểu số này dẫn đến có dòng điện

và tích trữ điện tích trong chuyển

tiếp P-N

• Ta xét điện tích được tích trữ này,

hiệu ứng của nó lên điện dung tiếp

xúc, và ứng xử quá độ của chuyển

tiếp P-N do những thay đổi đột ngột

ở phân cực

4.7.1 Tích trữ hạt dẫn thiểu số

(Minority-Carrier Storage)

• Điện tích của những hạt dẫn thiểu số được bơm vào trên đơn

vị diện tích được chứa trong miền N trung hòa có thể được

tìm bằng cách lấy tích phân những lỗ thừa trong miền trung

hòa (phần hình vẽ có tô đen), dùng phương trình 51:

Chú thích:

6

• Ta cũng có biểu thức tương tự cho những điện tử được tích trữ

trong miền P trung hòa Số hạt dẫn thiểu số tích trữ được phụ thuộc

vào cả chiều dài khuếch tán L và mật độ điện tích ở cạnh (biên)

miền nghèo Ta có thể biểu diễn điện tích chứa theo dòng bơm vào

Từ các phương trình 52 và 75, ta có

• Phương trình trên phát biểu rằng lượng điện tích chứa là tích số của

dòng điện và thời gian sống của hạt dẫn thiểu số Có điều này là do

lỗ (được bơm vào) lại khuếch tán nữa vào miền N trước khi tái hợp

nếu thời gian sống của chúng dài hơn, như vậy có nhiều lỗ được

tích trữ hơn.

(76)

• Điện dung miền nghèo được xét trước đây thì dùng cho điện dung

chuyển tiếp khi nó được phân cực ngược

• Khi chuyển tiếp được phân cực thuận, có thêm đóng góp đáng kể

vào điện dung chuyển tiếp từ sự sắp xếp lại của điện tích chứa

trong các miền trung hòa Đó chính là điện dung khuếch tán Cd,

có được từ diode thật khi hạt dẫn thiểu số di chuyển qua miền trung

hòa do khuếch tán

• Điện dung khuếch tán của lỗ được tích trữ trong miền N trung hòa

có được bằng cách áp dụng định nghĩa Cd = AdQ p /dV vào phương

trình 75

với A là diện tích mặt cắt ngang của dụng cụ, p là thời gian sống

của hạt dẫn thiểu số, và G là điện dẫn của chuyển tiếp Ta có thể

thêm đóng góp C ddo điện tử chứa trong trường hợp đáng kể đến.

4.7.2 Điện dung khuếch tán

= I p /V T = G p (77)

8

• Với chuyển tiếp p+-n (n p0 << p n0), đóng góp Cdcủa điện tử

chứa trở nên không đáng kể Khi phân cực ngược (nghĩa là

V âm), phương trình 77 cho thấy Cd vì sự tích trữ hạt dẫn

thiểu số có thể bỏ qua được

• Trong nhiều ứng dụng, ta thường biểu diễn chuyển tiếp P-N

bằng tương đương Ngoài điện dung khuếch tán Cdvà điện

dung miền nghèo Cj, ta phải kể đến dòng điện đi qua dụng

cụ Với diode lý tưởng, độ dẫn điện có được từ phương

trình 55:

Chú thích:

= I/V T

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của diode

(a) Mô hình chưa kể đến R S và L S

(b) Mô hình kể đến RS (điện trở khối) và LS (điện cảm dây dẫn)

(c) C phụ thuộc vào phân cực

10

Differential capacitance

• The maximum of the differential capacitance is observed under

forward bias conditions Under reverse bias conditions the

differential capacitance is determined by the depletion capacitance,

which is more or less constant.

• Under forward bias the depletion capacitance gets larger, because

the width of the depletion region is reduced, so that the differential

capacitance is increased The diffusion capacitance is zero for

reverse bias Only under forward bias the diffusion capacitance

contributes to the differential capacitance The diffusion capacitance

increases as the minority carrier concentration increases in the

neutral regions

• The differential capacitance of the diode is limited by a maximum

diffusion capacitance The maximum diffusion capacitance is

determined the Debye length for the electrons and holes The Debye

length defines a lower limit for the width of the depletion region.

• This is capacitance related to the change of the minority

carriers It is important (even becomes dominant) under

forward bias conditions

• The diffusion capacitance is obtained from the device

impedance, and using the continuity equation for minority

carriers:

• Applied voltages, currents and solution for Dp n:

p

n n p

dx

p d D dt

p d

0 1 1

0

0 1 1

0

,)

(

,)

(

J J e J J

t

J

V V e V V

t

V

t i

t i

p ( , ) ( ) 1( ) 

1

2 '

1 2

1 2 1

p p

p n

L

x p dx

p d x

p D

i dx

n n

T

t i n

n

n n

n

V

V V

V p p

V

e V V p

t

p

p p

t

p

0 1

0 1

1 0 0

1 0

exp)

0(exp

0

p T

T

n n

L

x V

V V

V p t x p

14

• Small-signal hole current:

• Low-frequency limit for the admittance Y:

• RC-constant:

1 0

1 0 0

1

V

V i

V L

V p AqD dx

dp AqD

I

T

p T

p

n p x

p T p

n p dif

T T

V V s T T

p

n p

d

dif d

p T

V V

L

p AqD

C

I dV

dI V

I V

e I V

V V

L

p AqD

G

C i G i

V

V V

2

1

current Forward

, exp

2

1 1 exp

0 0

/ 0

0

0 0

0

2

p dif

d C

The characteristic time constant is on the order of the minority carriers lifetime.

• Với các áp dụng chuyển mạch, chuyển đổi từ phân cực thuận

sang ngược gần như là đột ngột và thời gian quá độ ngắn Hình

22a cho thấy mạch đơn giản với dòng thuận IF chạy qua chuyển

tiếp P-N

• Tại thời điểm t=0, công tắc S đột ngột được chuyển sang phải và

dòng ngược ban đầu IR  V/R chạy qua Thời gian quá độ t offđược

vẽ ở hình 22b, là thời gian cần cho dòng điện đạt đến 10% của

dòng ngược ban đầu IR.

• Thời gian quá độ có thể được ước lượng như sau Trong điều kiện

phân cực thuận, hạt dẫn thiểu số chứa trong miền N với chuyển

tiếp p+-n được cho bởi phương trình 76:

với IF là dòng thuận và A là tiết diện ngang của dụng cụ.

Hình 22.Đáp ứng quá độ của chuyển tiếp P-N.

(a) Mạch chuyển mạch cơ bản (b) Đáp ứng quá độ của dòng được chuyển

từ phân cực thuận sang ngược

18

• Nếu dòng trung bình chạy trong lúc diode tắt là IR,ave, thời

gian tắt là thời gian cần để lấy đi tổng điện tích chứa Qp:

• Như vậy thời gian tắt phụ thuộc vào cả tỉ số của dòng

thuận trên ngược và thời gian sống của hạt dẫn thiểu số

p (xem hình 23)

• Với các dụng cụ chuyển mạch nhanh, ta phải giảm thời

gian sống của hạt dẫn thiểu số Do đó, các trung tâm tái

hợp-sinh có những mức năng lượng gần giữa dải cấm,

như người ta thường thêm vàng vào Silicon

Hình 23 Thời gian quá độ được chuẩn hóa

theo tỉ số dòng thuận IFtrên dòng ngược IR

20

Phân tích thời gian tắt t off

• t off còn được gọi là thời gian hồi phục ngược (reverse

recovering time ) t r hay t rr

Với chuyển tiếp p + -n, dùng phương trình liên tục, ta có

Nhân qAdx ở cả 2 bên của phương trình trên, ta có

Giải phương trình vi phân trên, ta có nghiệm:

NX: Thời gian tích trữ điện tích t s phụ thuộc vào:

• thời gian sống của hạt dẫn thiểu số;

• dòng điện thuận bơm vào I1;

(reverse recovering time )

Định nghĩa:

với tf là thời gian xuống (fall time)

Với chuyển tiếp p+-n:

Khi

Khi

24

(b) Diode switching

• For switching applications, the transition from forward bias

to reverse bias must be nearly abrupt and the transit time

short

• Diode turn-on and turn-off characteristics can be obtained

from the solution of the continuity equations:

p

p p p

p

p p

p

p

n p D

p p n

Q dt

dQ t I t I

Q t I dt

dQ

p x

J q R

J q dt

(

1

Valid for p+n diode

Diode turn-on:

• For t<0, the switch is open, and

the excess hole charge is:

• At t=0, the switch closes, and we

have the following boundary

condition:

0)0()0(   p  

Q

0)0()0

a

V V p n p

L x V

V n n

I

I V

V

e L Aqp Q

e e

p

x

1ln

11

Diode turn-off:

• For t<0, the switch is in position

1, and a steady-state situation is

established:

• At t=0, the switch is moved to

position 2, and up until time t=t1

we have:

• The current through the diode

until time t1is:

V R R

• To solve exactly this problem and find diode switching time,

is a rather difficult task To simplify the problem, we make

the crucial assumption that I R remains constant even beyond

t 1

• The differential equation to be solved and the initial

condition are, thus, of the form:

• This gives the following final solution:

• Diode switching time:

F p p

p p

p p

rr rr

p

I

I t

t

rr t

R

V



t t

t s  switching time

t rr  reverse recovery time

30

4.8 Đánh thủng chuyển tiếp PN

Đánh thủng ở phân cực ngược

Chuyển tiếp PN khi bị phân cực ngược cho dòng bão hòa ngược gần

như ít phụ thuộc áp ngược, điều này chỉ đúng cho đến khi phân cực

ngược đạt đến tới hạn, khi đó có đánh thủng (breakdown) xảy ra Ở điện

áp tới hạn này VBR ,dòng ngược qua diode tăng nhanh, có dòng tương đối

lớn chạy qua chuyển tiếp với sụt áp gần như không đổi.

Đánh thủng ngược do 2 cơ chế, mà mỗi cơ chế cần điện trường tới

hạn trong miền chuyển tiếp.

- Đánh thủng Zener: hoạt động ở điện áp thấp (vài Volts)

-Đánh thủng thác lủ: hoạt động vói điện áp cao hơn (vài Volts đến hàng

chục ngàn Volts)

32 Reverse breakdown in a p-n junction.

Đánh thủng chuyển tiếp

• Hiệu ứng xuyên hầm (Tunneling effect)

• Nhân thác lũ (Avalanche multiplication)

– Đặt giới hạn cao ở phân cực ngược với hầu hết diode

– Giới hạn điện áp collector của BJT

– Giới hạn điện áp drain của MOSFET

– Có thể tạo công suất vi-ba (microwave), như trong

• Điện trường cao (reverse direction)

– Di chuyển của điện tử hóa trị từ dải hóa trị sang dải dẫn (xuyên hầm =

tunneling)

– Xảy ra chỉ khi điện trường rất cao

• Si, GaAs trên 10 6 V/cm

• Pha tạp chất cao, trên 5x10 17 cm -3

– H ệ số nhiệt âm (TCVBR<0) – Điện áp đánh thủng

• Nhỏ hơn 4Eg/q

• Với thác lũ: lớn hơn 6E g /q

• Giữa 4 và 6Eg/q, trộn cả hai thác lũ

và đường hầm a) Chưa phân cực:

b) Phân cực ngược:

Nhân thác lũ (Avalanche multiplication)

• Với tạp chất pha vào ND <=10 17 cm -3 dưới phân cực ngược

• Điện tử sinh ra do nhiệt trong miền nghèo có được động năng từ điện trường

– Nếu độ lợi này đủ động năng – Khi va chạm với 1 nguyên tử – Phá vỡ các liên kết mạng tinh thể – Tạo ra cặp điện tử-lỗ

• Điện tử và lỗ mới được tạo có được động năng

– Tạo thêm cặp điện tử-lỗ – …….

Hệ số nhân:

Với n và  p là tốc độ ion

hóa của điện tử và lỗ:

37Tốc độ ion hóa va chạm

38

Điện trường tới hạn tại đánh thủng

(Critical field at breakdown)

Xuyên đường hầm chỉ xảy ra ở

pha tạp chất cao

 Điện áp trong miền nghèo được xác định từ giải phương trình Poisson, chuyển tiếp bước 1 phía

 Với chuyển tiếp biến đổi đều tuyến tính

– Khe năng lượng lớn hơn– Cần điện trường lớn h ơn– Điện áp đánh thủng cao hơn.

• For larger a and low NB

– VBis given by the abrupt junction results

– Shown on the bottom line

• For small a and high NB

– VB is given by the linearly graded junction results – Indicates by the parallel lines

41Example 8

• One can determine which mechanism is responsible for the

breakdown based on the value of the breakdown voltage VBD

:

 VBD< 4Eg/q  tunneling breakdown

 VBD> 6Eg/q  avalanche breakdown

 4Eg/q < VBD< 6Eg/q  both tunneling and

avalanche mechanisms are responsible

Tunneling breakdown:

• Tunneling breakdown occurs in heavily-doped pn-junctions

in which the depletion region width W is about 10 nm.

cr

E m E

VA F q m I



2 4 exp 4

2 / 1 2 2

3

*

S BR

I ( )10

Avalanche breakdown:

• Most important mechanism in junction breakdown, i.e it

imposes an upper limit on the reverse bias for most diodes

• Impact ionization is characterized by ionization rates an and

ap, defined as probabilities for impact ionization per unit

length, i.e how many electron-hole pairs have been

generated per particle per unit length:

- E icritical energy for impact ionization to occur

- F cr critical electric field

- lmean-free path for carriers

Generation of the excess electron-hole

pairs is due to impact ionization.

• Description of the avalanche process:

dx J

0

const J

J J

dx

dJ dx

dJ

dx

dJ dx

dJ

p n

p n

p n

)0(,

)0(

)(

W J

J M J

W J M

p

p p n

n

48

• Breakdown voltage  voltage for which the multiplication

rates M n and M p become infinite For this purpose, one

needs to express M n and M p in terms of an and ap:

n n

p p n n p

p p n n n

dx e

M

dx e

M J

J dx

dJ

J J

dx

dJ

x p n

x p n

0

' 0

'

0

0

11

11

The breakdown condition does not depend on which

type of carrier initiated the process

• Limiting cases:

(a) an=ap (semiconductor with equal ionization rates):

(b)an>>ap (impact ionization dominated by one carrier):

p p

p

W

W n

n n

n

dx

M dx M

dx

M dx M

1

1

11

• Voltage drop across the depletion

region on the n-side:

• Maximum electric field:

• Empirical expression for the

breakdown voltage VBD:

n p

W

W F V

W F

2

12

max

2qN F

k V

k

W qN F

D

s BD s

E

2 / 3

10 1

1 60

• Extension of the n-layer large:

• Extension of the n-layer small:

• Final expression for the

2

12

1

W W F W

F

x

m W

BD P

W

W W

W V

52

4.9 Chuyển tiếp dị thể

(Heterojunction)

Chuyển tiếp dị thể

• Cho đến bây giờ, chúng ta đã bàn về hoạt động của những chuyển

tiếp đồng thể(homo junctions) Một chuyển tiếp PN là chuyển tiếp

đồng thể nếu có cùng khe năng lượng cho bán dẫn N và P Với

chuyển tiếp dị thể thì khác Khi đó 2 bán dẫn có khe năng lượng khác

nhau tạo thành chuyển tiếp Chuyển tiếp dị thể xảy ra trong những

vùng khác nhau do:

– Các nguyên nhân v ề công nghệ

– Đặc tính điện:

• Điện trường trong miền điện tích không gian được tăng lên.

• Pin mặt trời (Solar cell): điện áp hở mạch cao hơn và sự rút các hạt dẫn ra

tốt hơn.

• Transistor có độ linh động cao: Transistor nhanh hơn

– Đặc tính quang:

• Các lớp với khe năng lượng cao hơn có thể được dùng làm "cửa sổ quang".

• Chuyển tiếp dị thể là chuyển tiếp có từ 2 bán dẫn không giống nhau

Chúng có khe năng lượng Eg khác nhau Hơn nữa, 2 bán dẫn khác

nhau sẽ có hằng số điện mội εs khác nhau, công thoát qΦs khác

nhau và độ ái lực điện tử q khác nhau.

54

• Công thoát qΦs được định nghĩa là năng lượng để lấy

điện tử ra khỏi mức năng lượng Fermi EF đến vị trí bên

ngoài vật liệu (mức chân không)

• Độ ái lực điện tử q là năng lượng cần để lấy điện tử ra

khỏi đáy dải dẫn đến mức chân không

Với Eg là hiệu số dải năng lượng

và Eg = E g1 – E g2

Hình 32a Giản đồ năng lượng của 2 bán dẫn cách ly.

• Nếu 2 bán dẫn được nối lại, giản đồ năng lượng sau

được hình thành Chúng ta giả sử rằng hằng số mạng

tinh thể của 2 vật liệu thì khớp nhau Ngược lại thì số

bẫy ở giao tiếp không thể bỏ qua được

Hình 32b Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp dị thể

PN lý tưởng ở cân bằng nhiệt

56

• Có 2 yêu cầu cơ bản khi xây dựng giản đồ năng lượng:

a) mức Fermi phải giống nhau ở cả hai bên của giao tiếp ở cân

bằng nhiệt.

b) mức chân không phải liên tục và song song với các cạnh dải

năng lượng.

• Sự bất liên tục không bị ảnh hưởng bởi mức pha tạp

chất miễn là những độ ái lực điện tử và khe năng lượng

không phải là hàm của mức pha tạp chất

Điện áp nội trong bán dẫn 1

Điện áp nội trong bán dẫn 2

N1 và N2 là nồng độ tạp chất trong miền bán dẫn 1 và 2

Bề rộng của miền nghèo tính theo các công thức sau:

Bề rộng miền nghèo trong bán dẫn 1

Bề rộng miền nghèo trong bán dẫn 2